Reliability strategies for next generation cloud networks

In last decade the Internet traffic experienced an unprecedented growth, mainly driven by the introduction of new broadband content-based applications such as video streaming, cloud gaming, etc. Such applications contributed to the integration of cloud computing systems as part of the telecommunication infrastructure. However, as cloud services continue to gain traction and traffic keeps growing, telecom operators are faced with the challenge of modernizing their infrastructure to deliver large workloads. This translates into multiple technical challenges to provide Quality-of-Service (QoS) to meet Service Level Agreement (SLA) requirements, and flexibility challenges to efficiently exploit network resources with the objective to deliver new services and keep stable profit margins. In this context, Network Function Virtualization (NFV) emerged as a alternative architectural paradigm. NFV consists of moving from hardware to software implementation of network function in a virtualized environment. Such technological paradigm allow hosting multiple and heterogeneous Virtual Network Functions (VNFs) on generic and commodity hardware that can be potentially spread up to the edge of the network. NFV will allow to increase network flexibility, reduce Capital Expenditures (CapEx) and Operational Expenditures (OpEx) and reduce time-to-market of new services. In this thesis we focus on reliability challenges to build an ubiquitous, flexible and resilient cloud network. In particular we focus on two important aspects: 1) how to provide resilient connectivity access to contents in cloud networks (i.e., content connectivity) to ensure service continuity in case of link failures, and 2) how to perform resilient deployment of end-to-end network services, when adopting NFV. We investigate benefits, technical challenges and tradesoff that emerge by the adoption of such resiliency techniques. We show that resilient connectivity to contents in the cloud, against multiple link-failures, is achievable with a small additional effort in design phase, minimum resources and limited number of datacenters. We also show that distributed approach of VNFs can satisfy reliability requirements of modern network services, at minimum cost, and without negative impact of performance, especially related to latency.

Nell'ultima decade il traffico Internet ha subito un aumento senza precedenti, principalmente dovuto all'introduzione dei nuovi servizi a banda larga basasti sui contenuti, come applicazioni di video streaming ed video giochi online, etc. Queste applicazioni hanno contribuito all'integrazione del sistemi di cloud computing nell'infrastruttura delle reti di telecomunicazioni. Poiché le reti cloud continuano ad attrarre più clienti e il traffico continua a crescere, gli operatori telefonici sono confrontati con la sfida di modernizzare la propria infrastruttura, al fine di trasportare sempre maggior carichi di traffico. Questo si traduce in multiple sfide tecnologiche, con lo scopo di fornire ai clienti determinati livello di qualità di servizio (QoS) e soddisfare i requisiti dei Service Level Agreement (SLA) e sfide per rendere la rete più flessibile ed utilizzare le proprie risorse in maniera più efficiente con lo scopo di conservare margini di guadagno. In questo contesto, la virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV) è emersa come paradigma architetturale alternativo. Quest'ultimo consiste nel muovere le funzioni di rete da hardware ad implementazioni software eseguite in ambienti virtualizzati. Questo paradigma tecnologico permette di ospitare multiple funzioni di rete virtuali (VNFs) su server generici, che potrebbero essere disposti lungo il bordo della rete. NFV permetterà quindi di aumentare la flessibilità di rete, ridurre le spese capitali e la spese operazionali e ridurre il tempo necessario per stabilire nuovi servizi Internet. In questa tesi, ci focalizziamo sulle sfide di affidabilità necessari a costruire una rete cloud ubiqua, flessibile and resiliente. In particolare, ci concentriamo su due aspetti importanti: 1) Come fornire accesso affidabile ai contenuti nelle reti cloud (i.e., content connectivity) per garantire continuità del servizio in caso di multipli guasti nei collegamenti fisici (e.g., cavi, fibre) 2) Come implementare servizi di rete end-to-end, quando l'operatore telefonico sceglie di adottare il paradigma di NFV. In questo lavoro, esploriamo i benefici, le sfide tecnologiche e i compromessi che emergono dall’adozione di tali tecniche di affidabilità. Mostreremo come, la resilienza nelle reti cloud, contro multipli guasti nei collegamenti fisici, è realizzabile con un piccolo sforzo aggiuntivo e un numero minimo di data-center. Mostreremo anche che, un approccio distribuito nell’implementazione di NFV può soddisfare i requisiti di affidabilità dei servizi di rete moderni, ad un costo minimo, e senza impattare negativamente sulle performance, specialmente per quanto riguarda la latenza.